您好, 歡迎來到化工儀器網(wǎng)
發(fā)動機潤滑油變質(zhì)？一鍵解鎖島津解決方案
1、 什么是潤滑油？
對于裝配有內(nèi)燃機的車輛、建筑機械、船舶、飛機等器械設(shè)備而言，發(fā)動機潤滑油在潤滑、冷卻、清潔和防銹過程中起到十分重要的作用。如潤滑油變質(zhì)，則會導(dǎo)致潤滑性能下降、發(fā)動機內(nèi)部出現(xiàn)磨損，進而縮短發(fā)動機使用壽命并引發(fā)故障。
出于物理因素、高溫加熱、金屬磨損顆粒及燃料污染物等影響，機油成分及其添加劑會分解或產(chǎn)生化學(xué)變化，從而導(dǎo)致潤滑油變質(zhì)。因此，建議使用不同類型的分析儀對潤滑油變質(zhì)實施分析，確定更換機油時機及應(yīng)實施何種發(fā)動機維護工作。
圖1 發(fā)動機潤滑油變質(zhì)常見原因
美國ASTM標準一種通過可變參數(shù)來評價潤滑劑變質(zhì)程度的方法。本文中，我們根據(jù)ASTM標準中所的分析方法，對潤滑油變質(zhì)、污染物、磨損和添加劑實施了分析與評估，其間使用了傅立葉變換紅外光譜儀（FT-IR）、氣相色譜儀（GC）和電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（ICP-AES）等設(shè)備。
表1 FT-IR、GC和ICP-AES的潤滑油分析項目示例
2、 使用緊湊型FT-IR實施潤滑油變質(zhì)分析
紅外光譜法所提供的數(shù)據(jù)（光譜）可反映出物質(zhì)結(jié)構(gòu)。在FT-IR潤滑油分析中，可采集由于磺化、硝化等組成物變化所引起的變質(zhì)信息，還可以獲取由于氧化引起的羰基增量信息。分析同樣可提供煙炱和其他物質(zhì)污染物的相關(guān)信息，并可獲取由于水分污染而引發(fā)的羥基增量信息。此外，如潤滑油包含抗氧化劑或抗磨組分，那么可通過*峰值來確定是否由于潤滑油變質(zhì)而導(dǎo)致添加劑減量。
此項研究中，我們使用緊湊型、高性能FT-IR和易用液體分析單元對潤滑油變質(zhì)實施評價。
圖2 結(jié)合使用IRSpirit和Pearl液體池
2-1丨方法
結(jié)合使用IRSpirit與Pearl 0.1 mm光程液體池，對樣品A和樣品B的廢舊機油與新機油實施分析。樣品A和樣品B的詳細信息如下：
表2 樣品詳細信息
2-2丨結(jié)果
圖3 樣品A和樣品B的光譜
根據(jù)FT-IR分析結(jié)果，樣品A中確認存在水污染及由于氧化和硝化而引起的變質(zhì)。樣品B中，抗氧化劑量減少，但并未觀察到由于氧化變質(zhì)引起的光譜變化。因此可假定使用抗氧化劑有效防止了機油氧化。
使用FT-IR，無需實施樣品預(yù)處理即可實施潤滑油分析，Pearl液體池在每次分析后，能夠簡單、快捷地實現(xiàn)池體單元清潔工作。此外，由于能夠以高精度保持光程長度，因此所獲數(shù)據(jù)在符合ASTM E2412要求的同時，還可以確保高可重現(xiàn)度。
然而，由于FT-IR方法靈敏度不高，因此很難區(qū)分低濃度污染物（如：燃料和冷卻劑）。GC和ICP-AES方法適用于此類詳細分析。
3、 利用GC快速分析發(fā)動機潤滑油中的燃油稀釋率
發(fā)動機潤滑油中如果混入汽油或柴油等燃料油，那么會導(dǎo)致潤滑油粘度降低、無法發(fā)揮其潤滑性能。因此，燃油稀釋率（含量）通常作為判斷機油是否需要更換的一個關(guān)鍵指標。測定發(fā)動機潤滑油中的燃油稀釋率，一般采用配備氫火焰離子化檢測器（FID）的GC法，該方法是較為準確檢測方法之一。
但是，當分析高沸點化合物樣品時，該方法存在的弊端是分析時間較長，分析效率低。ASTM D7593將反吹技術(shù)引入氣相色譜法，可實現(xiàn)燃油稀釋率的快速分析。該系統(tǒng)可應(yīng)用于發(fā)動機潤滑油中汽油、柴油和生物柴油分析。
在此項研究中，使用了配備反吹系統(tǒng)的氣相色譜法和利用氮氣作為載氣進行分析，從而節(jié)約分析成本。
圖4 島津反吹系統(tǒng)
3-1丨方法
使用配備有反吹系統(tǒng)的Nexis GC-2030氣相色譜儀對發(fā)動機潤滑油中的燃油稀釋率進行分析。根據(jù)汽油n-C12和柴油n-C20的停留時間，設(shè)置反吹起始時間。
表3 分析條件
3-2丨結(jié)果
圖5 發(fā)動機潤滑油中稀釋汽油分析色譜圖
圖6 混入柴油的基油樣品的長期連續(xù)分析
表4 稀釋汽油分析的重現(xiàn)性（％，n = 10）
表5 稀釋柴油的重復(fù)性（％，n = 10）
使用配備反吹系統(tǒng)的氣相色譜儀實現(xiàn)了測定時間小于2分鐘的高效率汽油稀釋率測定和小于4分鐘的高效率柴油稀釋率測定。僅需將樣品放置于小瓶中即可進行分析，無需任何預(yù)處理操作（如：溶劑稀釋）。此外，Nexis GC-2030可同時使用兩套反吹系統(tǒng)流路讓生產(chǎn)率提高一倍。
該系統(tǒng)具有良好的重現(xiàn)性，并在使用廉價氮氣載氣的同時，滿足ASTM D7593中的要求。在 600次分析中，所得稀釋率的重現(xiàn)性 ％ RSD為2.3％，每實施200次分析對耗材（如：隔墊）
進行一次維護，此處顯示出其出色的長期穩(wěn)定性。特別是對于質(zhì)量控制部門而言，由于需要進行大量樣品的常規(guī)分析，因此對于低成本、快速分析的需求十分迫切。本應(yīng)用中，我們介紹了一種使用配備有反吹系統(tǒng)的Nexis GC-2030氣相色譜儀對發(fā)動機潤滑油的燃油稀釋率進行經(jīng)濟高效、快速的分析方法。
4、 使用ICP-AES分析廢舊潤滑油中的添加劑元素、磨損金屬和污染物
分析潤滑油中的金屬磨損可為評估潤滑油變質(zhì)和發(fā)動機狀態(tài)提供有用信息。同時，在潤滑油中添加富含各類有機金屬物質(zhì)的多種添加劑可增強其潤滑性能。為保證潤滑油質(zhì)量（實現(xiàn)質(zhì)量控制），控制添加劑濃度十分重要。根據(jù)ASTM D5185和D4951，使用有機溶劑稀釋的ICP-AES測定廢舊潤滑油中所含有的添加劑元素、磨損金屬和污染物。
本研究中，我們使用島津ICPE-9820發(fā)射光譜儀，根據(jù)ASTM D5185中針對廢舊潤滑油樣品所的22種元素（包括ASTM D4951中所述的9種元素）實施分析，并同樣對未經(jīng)使用的潤滑油樣品實施分析以作參考，樣品均使用有機溶劑進行稀釋。ICPE-9820采用垂直方向的炬管設(shè)計，可有效防止積碳，并在無需加氧的條件下，為有機溶劑樣品進行穩(wěn)定的分析。
4-1丨方法
使用島津ICPE-9820進行測定。測定條件見表6。常規(guī)ICP儀器進行有機溶劑樣品分析時，通常須將氧氣導(dǎo)入等離子體中，以防炬管管口上形成碳沉積。然而，島津ICPE-9820采用了可抑制碳沉積的炬管，幾乎可*消除由樣品和有機溶劑形成的積碳。因此，即使在分析煤油、二甲苯和MIBK等品類的有機溶劑樣品時，ICPE-9820依然無需導(dǎo)入氧氣來抑制碳沉積。此外，由于島津ICPE-9820采用真空光室，因此在分析類似硫等波長處于真空紫外區(qū)域元素時，無需使用消耗昂貴、高純度氣體的吹掃光室，可節(jié)約分析成本。
表6 分析條件
廢舊汽車潤滑油（行駛里程約4000公里）與僅用于分析樣品的新潤滑油。樣品預(yù)處理包括：各樣品稱約10 g，然后用100 mL的煤油進行稀釋。使用煤油準確稀釋SPEX油基21元素混合標準溶液（500μg/g）、SPEX油基單元素標準溶液（5000μg/g）與重油硫含量標準樣品（重量的1.05％）制備標準溶液。
此外，用煤油稀釋油基Y（釔）單元素標準溶液（5000μg/g），并作為內(nèi)標元素添加至所有樣品中，從而使所有樣品保持固定濃度。
為了驗證測定值，將上述標準溶液添加至廢舊潤滑油中，制備5 mg/L溶液，用作低濃度元素加標回收測試樣品。此外，對于高濃度元素，使用煤油將廢舊潤滑油稀釋50倍以制備稀釋測試樣品。
4-2丨結(jié)果
表7給出分析結(jié)果。針對廢舊潤滑油，高濃度元素稀釋測試和低濃度元素的加標回收測試均獲得了接近100％的優(yōu)異結(jié)果。此外，同樣列出針對新潤滑油實施分析所獲的分析結(jié)果，以供參考。使用ICPE-9820，可以穩(wěn)定地分析廢舊潤滑油中的溶解元素，而無需導(dǎo)入氧氣。
表7 潤滑油的分析結(jié)果
峰值回收率（％）=（C1-C2）/B×100（C1：加標樣品定量值；C2：非加標樣品定量值；B：加標濃度）
稀釋測試（％）= I/S×100（I：稀釋前樣品的定量值；S：5倍稀釋樣品的定量值×5）
檢測極限：DL = 3×σBL×κ（σBL：背景強度的標準偏差；κ：濃度/強度）<：小于檢測極限
5、 結(jié)論
• 使用FT-IR、GC和ICP-AES可獲得關(guān)于潤滑油變質(zhì)分析的有用信息。
• 緊湊型IRSpirit和Pearl可輕松獲取符合ASTM E2412要求的數(shù)據(jù)。
• 使用GC-2030反吹系統(tǒng)可對潤滑油燃料稀釋品實施經(jīng)濟有效的分析。
• 使用ICPE-9820，無需導(dǎo)入氧氣即可穩(wěn)定分析潤滑油中的溶解元素。
文章參考：ASTM E2412-10、ASTM D7593-14、ASTM D5185-18、ASTM D4951-14